zlg程控滤波器

程控滤波器

摘要：本系统单片机和FPGA为控制中心，设计并制作了基于双积分回路滤波器的程控滤波器。该滤波器具有高通、低通和带通功能，截止频率在1kz~20kz范围内100kz的步进可调。前级放大器采用DAC衰减实现了增益变化范围为0db~67db、步进低至1db。系统采用无源LC网络实现了四阶椭圆低通滤波器，利用高速D/A和有效值检波电路实现了幅频特性测试仪。

关键词：双积分回路滤波器D/A衰减电路椭圆低通滤波器幅频特性

一．方案比较与论证

1.题目要求

本系统要求设计并制作一个程控滤波器。综合分析，本系统的设计可以细分为几个部分：放大器模块、滤波器模块、幅频特性测试模块、人机交互模块。2.方案比较

（1）放大器模块

方案一：采用仪表放大器实现。单片仪表放大器（如AD620）增益可以在1～1000倍之间可调。通过改变仪表放大器的反馈电阻，从而改变放大器的增益。但是其单位增益带宽积只有12MHz，不能满足系统要求的放大器的通频带特性。

方案二：采用分立元件实现。为了实现增益60dB，可以采用多级放大电路实现。对电路输出采用二极管包络检波产生反馈电压调节前级电路实现增益的程控。由于大量采用分立元件，如三极管等，电路复杂，设计难度大，增益控制和高带宽均难以实现。而且不可控因素多，电路稳定性差，调试难度也大。故不采用。

方案三：利用可变增益放大器实现。选用可变增益放大器芯片（如AD603），通过给出不同的控制信号改变其放大倍数，从而实现放大器的增益调节。采用AD603实现放大时,容易出现自激，并且对控制信号的稳定度要求很高，故不采用此方案.

方案四：采用D/A衰减器实现。利用可编程放大器的思想，先将输入的交流信号放大1000倍，再将其作为D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。通过改变控制字以达到对输出信号衰减控制的目的。只要选择合适的DAC，就可以达到高精度和高灵敏度的增益控制，配合前级信号预放大，可实现增益可程控的放大器。

综上所说：采用DA衰减器实现可控放大模块，前级输入采用高精度仪器放大器放大，增益连续可调，电路简单，通频带完全满足题目要求，所以我们采用方案四。

（2）可控滤波器模块

本系统要求设计并制作截止频率可调的低通和高通滤波器以及一个四阶椭圆低通滤波器。

方案一：采用数字滤波器。利用MATLAB的数字滤波器设计软件设计FIR 或者IIR滤波器，然后在FPGA中用Verilog语言来实现。数字滤波器具有精度高，截止特性好等优点。但是FIR滤波器会占用太多FPGA资源，IIR滤波器设计时工作量大且稳定性不高，且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，设计起来软件量比较大。

方案二：采用无源LC 滤波器。利用电感和电容可以搭建各种类型的滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易的设计出理想的滤波器。但是如果要截止频率可调，只有改变电感电容参数，硬件会非常复杂。

方案三：采用开关电容式滤波器芯片。通过程序控制对该芯片进行Q 值、阶次、中心频率/截止频率的设置，可以实现通用的滤波器设计，而且控制简单，且精度较高，阻带衰减程度也能满足要求。但动态工作范围小于±10V ，需要把信号电压放大又衰减然后再次放大。输出信号中模拟开关引起的尖峰干扰很难消除。

方案四：采用有源RC 滤波器。利用运算放大器和电阻、电容等分立元件构造成低通和高通滤波器，然后通过继电器或模拟开关来切换不同的电阻值和电容值，改变滤波器的截止频率。该方案简单易行，但为了达到系统的基本要求，必须设计20多套参数来进行切换，硬件复杂，可操作性不强。

方案五：采用双积分回路滤波器。该方案为方案四优化。用DA 等效成可变电阻，通过控制DA 实现对滤波器Q 值、截止频率的设置。在实现低通和高通程控的同时，可以实现带通的控制。电路简单，且精度高，能够满足系统要求。另外成本较低。

比较上述五种方案，方案五的实现程控最为简单，可行性最高，故采用方案

五。采用方案二，利用无源LC 滤波器技术实现四阶椭圆低通滤波器。

3. 系统设计方案与实现框图

本系统采用DA 衰减器作为放大器模块的核心，在输入信号进入TLC7528衰减器之前，先经仪器放大器INA128放大100倍，再级联增益为10的宽带放大器AD844。输出的放大信号作为TLC7528的参考电压，通过给DA 不同的控制信号，实现0-60dB 之间的增益调节。依据双积分回路滤波器原理，用TLC7528替代电路中的四个电阻的位置，实现多截止频率为1kHz-20kHz 范围内可调的低通、高通和带通滤波器，滤波器类型的选择由模拟开关确定。采用无源LC 滤波器的方案实现四阶椭圆低通滤波器。本系统用集成DDS 芯片AD9851实现扫频信号输出，扫频信号通过滤波器后在经有效值检波（AD637）电路实现幅频特性的测量。系统总体实现框图如图1所示： FPGA

放大器增益控制滤波器类型选择滤波器参数设定幅频特性测试模块扫频信号

控制系统总线80C51LCD 键盘

AD9851电阻衰减网

络1000倍放大

电路TLC7528衰减网络模拟开关低通滤波器

高通滤波器

椭圆低通滤

波器

50Ω

负载AD637峰值检波器

MAX118数据转换

图1. 系统总体实现框图 二． 理论分析与电路设计

1.放大器部分

以TLC7528作为衰减器为核心实现系统可控增益放大器。题目要求，输入为幅值为10mV,增益最大为60dB，所以进入TLC7528衰减器之前，输入信号放大到10V。考虑到INA128放大1000倍时，带宽只有2kHz左右，达不到题目要求的40kHz的带宽。为达到带宽要求，采用仪器放大器INA128放大100倍与增益为10的AD844级联，总体放大1000倍。TLC7528是具有A、B两路DA.当只采用一路时，步进最小为1000/2^8，可以满足步进要求，但增益达不到0dB。故采用两路衰减，此时放大倍数步进可以达到1000/2^16=0.016。

其具体电路原理图如图2所示：

图2.TLC7528程控放大电路图

2.滤波器部分

（1）可控滤波器

该部分采用双积分回路滤波器原理，以TLC7528替代滤波器中的电阻元件作为等效可控电阻，其等效电路如图3所示。

图3. 双积分回路滤波器原理图